热纤梭菌中σ-Antiσ因子对纤维小体系统的调控机制研究

Cellulosome is a multi-protein supermolecular complex, and is considered one of the most efficient strategies for lignocellulose bioconversion. It is reported that the composition and activity of cellulosome in Clostridium thermocellum can be adjusted along with the change of substrates, and the regulation is mainly mediated by σ-Antiσ factors at transcriptional level. Thus, the study on the function mechanism of σ-Antiσ factors is of great importance for both the directed engineering of cellulosome in C. thermocellum and the efficient utilization of lignocellulosic feedstock. In order to deeply understand the key regulatory mechanism of cellulosome system, this project will firstly evaluate the intracellular functions of all σ-Antiσ factors in C. thermocellum by targeted gene disruption and complementation; secondly, the responding substrates and regulating target genes of the σ-Antiσ factors will be detected by both biochemical analyses in vivo and interaction experiments in vitro, and the regulatory mechanism of the σ-Antiσ factors in C. thermocellum will be revealed; lastly, a solid strategy for cellulosome engineering will be constructed based on the obtained regulatory mechanism, and will be used for the optimization of cellulosome in C. thermocellum. This study will promote the systems study of cellulosome, and will greatly stimulate the application of cellulosome-producing clostridium strains in the lignocellulose bioconversion via consolidated bioprocessing route.

纤维小体是一种复杂的多酶复合体，是公认的最高效的木质纤维素降解体系之一。已有研究表明纤维小体的组成和丰度受到底物种类和成分的调节，在热纤梭菌中主要通过σ-Antiσ因子在转录水平上的调控来实现，但具体的调控方式和机制尚不清楚。因此，研究σ-Antiσ因子的作用机制对实现热线梭菌纤维小体的定向改造及木质纤维素利用具有重要意义。为深入了解纤维小体系统的关键调控机制，本项目首先对热纤梭菌已知的σ及Antiσ因子进行靶向敲除和回补，评估不同σ-Antiσ因子在纤维小体组分表达中的调控功能；其次结合体内研究和体外相互作用实验进一步鉴定不同调控因子的感应底物类型及调控对象，从而分析σ-Antiσ因子的关键作用机制；基于获知的调控机制，制定底物特异的纤维小体改造策略，最终实现热纤梭菌纤维小体的定向优化。本研究将促进纤维小体的系统生物学研究，并有力推动产纤维小体梭菌在木质纤维素的整合生物加工转化中的应用。

纤维小体是公认的最高效的木质纤维素降解体系之一。作为一种复杂的多酶复合体，纤维小体不同组分的表达及其在复合体中的丰度受到底物偶联的调控作用，这一调控作用在转录水平上主要通过σ-Antiσ因子实现。通过四年的研究，本项目整体上按时完成工作内容，实现了阐明热纤梭菌中σ-Antiσ因子的调控对象及调控机制、建立基于热纤梭菌纤维小体表达调控的定向改造策略、最终构建纤维小体组分优化的热纤梭菌重组菌株这一研究目标。取得的研究成果主要包括：1）热纤梭菌通过复杂的σ-Antiσ因子调控网络实现纤维小体的转录后水平调控，σ因子与Antiσ因子的特异性相互作用具有显著的结构基础和独特性，σ因子与纤维小体启动子的识别也具有显著的特异性；2）在已知的σ因子中，SigI2表达量最高但不是调控纤维小体核心组分的关键调控因子，SigI6是调控纤维小体中半纤维素酶系表达的关键调控因子；3）纤维小体表达关键诱导因子是纤维素降解产物，即纤维寡糖和纤维二糖，而非木聚糖、阿拉伯聚糖等降解产物；4）存在基于不翻译区的纤维小体转录后调控，且与基于σ因子的转录水平调控具有协同作用；5）基于对纤维小体及其调控机制的认知，在国际上首次提出了基于热纤梭菌全菌催化剂的整合生物糖化策略，实现了木质纤维素的高效糖化。. 推动木质纤维素高效利用对我国绿色循环经济的建立具有重大意义，本项目解决了纤维小体作用机制方面的科学问题，促进了热线梭菌纤维小体的定向改造，推动了整合生物糖化策略的开发和发展，在木质纤维素高效生物转化方面具有广阔应用前景。